金 谷，姚奇志，李 嬌，劉紅瑜，王曉葵

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 合肥 230026)

碘量法中是利用淀粉這種特殊的指示劑來(lái)確定終點(diǎn)的，之所以說(shuō)它特殊，是因?yàn)轭伾兓c氧化還原無(wú)關(guān)，學(xué)生在無(wú)論是理論學(xué)習(xí)還是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往只注意到這一點(diǎn)，而忽視了這種反應(yīng)的特殊性。

淀粉與碘的反應(yīng)屬于超分子化學(xué)范疇，與經(jīng)典化學(xué)(小分子反應(yīng))相比較，涉及從分子內(nèi)的原子排列發(fā)展到分子間的相互作用的轉(zhuǎn)變。淀粉作為碘量法指示劑，是因?yàn)樗芘c碘生成了一種包合物(碘被包在了淀粉分子的螺旋結(jié)構(gòu)中)，這種新的物質(zhì)改變了光的吸收性能而變了色。從某種意義上講，超分子化學(xué)淡化了有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)和材料化學(xué)之間的界限，從而為材料科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了一條嶄新的道路。為此，1987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了超分子化學(xué)研究方面的三位科學(xué)家。

淀粉作為經(jīng)典基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的指示劑已被人熟知，然而它與碘的反應(yīng)的本質(zhì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往未能深究，因?yàn)樗麄円埠茈y想象，他們已走近現(xiàn)代化學(xué)的前沿。受此啟發(fā)，我們想，如果把類(lèi)似這樣的知識(shí)點(diǎn)做進(jìn)一步的延伸，教學(xué)體系層次化銜接就能得到較好的體現(xiàn)，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新思維應(yīng)該是一個(gè)有益的嘗試。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，我們?cè)O(shè)想以這類(lèi)反應(yīng)為中心設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，并希望學(xué)生能依此了解超分子反應(yīng)，從而接觸科學(xué)前沿。但如何設(shè)計(jì)對(duì)我們老師而言也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

淀粉與碘會(huì)顯色，那么問(wèn)題是：為什么會(huì)顯色？利用這個(gè)反應(yīng)能否定量測(cè)定碘或淀粉？

要回答這兩個(gè)問(wèn)題，首先必須了解碘與淀粉反應(yīng)的特點(diǎn)和機(jī)理?，F(xiàn)已證實(shí)，在直鏈淀粉/碘包合物中，直鏈淀粉分子形成了左手單螺旋鏈，碘原子呈線(xiàn)狀排列在直鏈淀粉螺旋空腔內(nèi)，這種螺旋狀包合物的形成造成了能量的變化，也出現(xiàn)了光學(xué)性質(zhì)的變化，使包含物出現(xiàn)顏色。理論上利用這種反應(yīng)有定量測(cè)定的可能。接下來(lái)的問(wèn)題是：若能利用這個(gè)反應(yīng)定量，測(cè)定碘和淀粉有何不同？

面對(duì)這樣的問(wèn)題，首先應(yīng)該讓學(xué)生想到，碘和淀粉有何不同？

從上面的介紹，不難看出，淀粉與碘的反應(yīng)非常復(fù)雜，完全不同小分子，沒(méi)有嚴(yán)格固定的摩爾比，是一個(gè)可逆反應(yīng)，當(dāng)其中一個(gè)反應(yīng)物的量一定時(shí)，隨著另一個(gè)反應(yīng)物量的增加，生成的復(fù)合物的量也在增加，溶液的顏色變深。不難推測(cè)，用此顯色反應(yīng)測(cè)定碘和淀粉的含量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制應(yīng)非常嚴(yán)格，外界因素對(duì)此反應(yīng)的影響也非常大。但理論上，若能控制好實(shí)驗(yàn)條件(保證直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)和多碘離子的組成等)，在一定范圍內(nèi)，反應(yīng)能滿(mǎn)足郎伯-比爾定律的要求。其中碘是小分子，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)定量；而淀粉是高分子，難以制純，溶解也困難，故溶液難以準(zhǔn)確配制，定量分析也相對(duì)較為困難。

在學(xué)生搞清楚碘、淀粉和它們之間反應(yīng)的特性后，把這個(gè)反應(yīng)拓展，有利于開(kāi)發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維能力。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以碘和淀粉反應(yīng)為中心，延伸至用聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)代替淀粉進(jìn)行探究，一方面，讓學(xué)生了解后續(xù)的體系有無(wú)顯色反應(yīng)發(fā)生；另一方面，若有反應(yīng)，讓學(xué)生依此建立定量測(cè)定碘或淀粉(或PVA或PEG)的方法，其中包括測(cè)定條件、工作曲線(xiàn)、共存離子的干擾及可能的反應(yīng)機(jī)理。并讓學(xué)生思考其它小分子(包括有機(jī)小分子)有無(wú)替代碘的可能。

實(shí)驗(yàn)的具體做法是：學(xué)生以小組為單位(4人)，自選一名小組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)。首先讓小組成員分別去查閱相關(guān)資料，匯總后討論實(shí)施方案；然后再分別探究各體系反應(yīng)的情況，以確定有無(wú)定量分析的可能；最后確定可行的顯色體系(比如碘和淀粉)后，小組二人測(cè)定碘，另二人測(cè)定淀粉，并建立定量分析方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，小組數(shù)據(jù)共享，成員分別自行撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，然后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

實(shí)踐表明，新穎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、探究的實(shí)驗(yàn)方式和可操作的團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)模式，特別是學(xué)生自主學(xué)習(xí)動(dòng)力的激發(fā)，表現(xiàn)出整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程豐富多彩，學(xué)生討論熱烈、實(shí)施堅(jiān)定，興致盎然。每年課程總結(jié)，學(xué)生對(duì)這種教學(xué)模式又愛(ài)又恨，愛(ài)是因?yàn)樾那橛淇烨沂斋@良多；恨是因?yàn)闀?shū)到用時(shí)方恨少，事非經(jīng)過(guò)不知難。